PLC在制氮机上的应用毕业论文.doc
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1、焦作大学毕业设计焦作大学毕业设计 题 目: PLC 在制氮机上的应用 学 院: 机电工程学院 专 业: 11 机械制造与自动化(3)班 学 号: 110108309 姓 名: 王文江 指导教师: 宋芳 完成日期: 2013 年 月 焦作大学机电工程学院毕业设计 I PLCPLC在在制氮机制氮机上的应用上的应用 摘摘 要要 在现代生产力不断提高的情况下,建设无人值守的空压站,是一个社会发 展过程中的必然选择。本文主要论述了一种PLC在制氮机上的应用,采用PLC对 空压机进行自动控制改造,实现空气的分离控制和生产设备的集中控制。在改 造原有系统的基础上,将制氮机电机的直接启动控制方式改为变频控制,
2、减小 对系统电网的冲击和节约能源,同时制定了具体实施的控制方式、设备启停步 骤、软件功能、功能扩充、报警系统。并利用相应的控制算法,实现供气的恒 定,提高供气质量和效率,保证各项工作的安全生产。 关键词:关键词:PLC,制氮机,自动控制 焦作大学机电工程学院毕业设计 ii 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论.1 第二章第二章 制氮机流量值的计算制氮机流量值的计算.1 第第三三章章 系统构成及工作原理系统构成及工作原理.8 3-1 设计方案的确定 8 3-2 系统构成 9 3-3 工作原理 9 3-4 控制过程 .11 3-4-1 恒压控制 .11 3-4-2 节能控制12 第第四四章章 硬件电
3、路设计硬件电路设计12 4-1 PLC 可编程控制器部分 .13 4-1-1 PL C 概述.13 4-1-2 PLC 选型和性能指标15 4-1-3 PLC 内部分配15 4-1-4 输入输出外部接线15 4-2 模数转换模块 .17 4-3 传感器部分 .19 4-4 变频器部分 .20 4-5 监控对象空压机 .21 4-6 系统的保护及故障警报的发出 .22 第第五五章章 系统的软件设计系统的软件设计22 5-1 系统的总体框图设计 .22 5-2 程序的结构及程序功能的实现 .24 5-2-1 系统的初始化程序24 5-2-2 系统的主控制程序24 5-2-3 系统的中断程序25 第
4、第六六章章 结束语结束语25 致谢致谢.25 焦作大学机电工程学院毕业设计 iii 参考文献参考文献.26 附录附录.27 焦作大学机电工程学院毕业设计 iv 第一章第一章 绪论绪论 在现在工业生产中,空压机在冶金机械制造、矿山、电力、纺织、石化、 轻纺等行业都有广泛的应用。传统的空压机供气控制方式大都是采用加、卸载 控制方式。该控制方式虽然原理简单、操作简便,但是存在能耗大、进气阀易 损坏、供气压力不稳定等诸多问题。随着科学技术的飞速发展,特别是电力电 子技术、微电子技术、自动控制技术的高度发展和应用,使变频器的节能效果 更为显著,它不但能实现无级调速,而且在负载不同时,始终高效运行,有良
5、好的动态特性,能实现高性能、高可靠性、高精度的自动控制相对于其它调速 方式(如:降压调速、变极调速、滑差调速、交流串级调速等)具有更大的优势, 变频调速性能稳定、调速范围广、效率高。为此本文采用 PID 技术和变频器实 现对螺杆式空气压缩机的节能改造。整个工作系统的安全性和稳定性都有了很 大提高,节能效果显著,实用性好。 第二章制氮机流量值的计算 毛细管作为一种重要节流元件,具有结构简单、价格便宜、无运动部件、 制造方便、工作稳定可靠和不易发生故障等优点,其压力平衡特性有利于降低 压缩机的起动力矩,因此已经广泛应用于家用设备包括电冰箱、冰柜、空调器 和减湿器等小型制冷装置中,它对制冷系统的连续
6、运行起着重要作用。在现有 的制冷系统中,绝热毛细管应用最多。而 HFC 一 134a(R134a,CH,FCF3,1,3 一四氟乙烷)作为 R12(CFC12,CF2CI ,二氟二氯甲烷)的替代制冷工质而提出, 已被证明是比较环保的绿色制冷剂,特别适用于家用冰箱、窗式空调、汽车空 调以及小型空冷制冷机组和离心式冷水机组。本文针对以制冷剂 HFC 一 134a 为 工质的制冷系统,选择一组基于 MH 状态方程(即马丁一候方程)的热力学性质参 数方程,对绝热毛细管流量进行数值模拟计算。 1 毛细管稳态数学模型 为建立绝热毛细管稳态数学模型,主要采用如 下假设? : (1)由于毛细管的管径很小,可忽
7、略径向的参 数变化,流动为一维绝热流动; (2)液相和气相的流速较为接近,气相和液相间无滑移,按均相流处理; 焦作大学机电工程学院毕业设计 v (3)两相介质达到热力学平衡; (4)重力影响较小,可忽略不计; (5)管路截面积保持不变; (6)忽视亚稳态流动。 11 基本模型 儿 质量方程:m : :const 能量方程:h+ :c0list 动量方程:一 dp:m2d + 1m dl (1)(2)(3) 式中:m 为质量流速,kg(m2s);G 为质量流量,kgs;F 为 截面积,m ;h 为比焓,Jkg; 为比容,n kg;P 为压力,Pa;f 为沿程 摩擦阻力系数(以下简称摩阻系数);D
8、 为内径,m;为长度,in。 12 模型的离散 方程的离散采用有限差分方法,将制冷剂在毛细管内的流动沿管长划分若干 微元,则对其中的某一微元有: ml= m2 (4)hl+ 百 1m2I2:h2+ 百 1m22 (5)pp =m2( 一 。)+ ! ; (6) 式中:下标 l、2、m 分别表示微元的进口参数、出口参数、平均参数;为 微元段长度。 121 过冷单相区 过冷液体可视作不可压缩,比容、焓、过冷区温度和摩阻系数均不变。由式(6) 可得过冷段长度为: L : 2D ApscLSC 一 2 一 (、7,),I|L J SC3SC 式中:Ap 为过冷区 的压强差。 122 气液两相区 由式(
9、6)可得两相区某一微元段长度为: AL : p。一 P2 一 mz(32 一 。) (8)HI J mUm 对于两相区所有微元段的计算长度求和,可以得到整个两相区的计算长度: 、 L : ZAL, (i) (9) 对于气液两相区,比焓 h 和比容 的计算为: h =xh +(1 一 )hs (1O)= +(1 一 ) (11) 焦作大学机电工程学院毕业设计 vi 式中: 为干度;下标 g、f、StY、tp 分别表示气相、液相、过冷区、两相区。 式中:n:告 m ( 2 一 ) ;b: m ( g2 一 vp)+h 一, ;C : 寺 m ( 一 I ), + ,2 一 httI。 13 沿程摩
10、阻系数与粘度计算 关于毛细管内摩阻系数的计算,采用 Churchill 关联式,因为该关联式可覆盖 整个雷诺数 e 区域,并考虑了毛细管内粗糙度的影响。 f:8(8Re) +1(A+曰) (13) 式中: A : 2457ln 瓦 B : (37530Re) ; Re : mDF。 式中:为粗糙度; 为动力粘度;在 eD 无法确定时,可考虑取 327。 对于气液两相区,动力粘度 的计算常用 Cicchitti 经验公式: : xp +(1 一 ),ul (14) 其中对于 HFC134a 的气体液体粘度,采用新的基团贡献法计算 : :c expm ( ) (15)us:cl expI bo(T
11、r)+ ( )” (16) 式中: 0(rr):In +05(1 一 l ) (11 ln rr)101(1 一 l ) 式中:c ,m , 为物质常数,与温度无关。 c : 1427 10 一 Pas; m : 0902; cl 4106 10 一 Pas: m,= 一 1962; b : 一 18。 14 壅塞流 在正常运行工况下,制冷剂在毛细管内的流动处于壅塞状态 。为避免计算结果 失真,在毛细管过程是典型的不可逆过程,必须满足熵增,文献中常使用的壅 塞判据是熵增判据。本文采用熵增判据的一种等价形式,l 临界长度判据:等 0 (17) 计算壅塞质量流量 : 焦作大学机电工程学院毕业设计
12、vii Gch + r (1 8) 式中:J vf dsf dry 计算出口壅塞压力 : P =m(p,t, ,卢) (19) 式中:m 为质量流速,kg(m2s);P,为参考状态点压力,Pa; 为参考状态 点比容,m3kg;p 为经验常数,表征两相区压力与比容的相对变化率, p=262 105p。 此式参考状态点为等焓节流过程线与饱和液体线的交点。当毛细管进口状态为 过冷液体时,参考状态点就是两相区的进 IZl 状态,P,是对应进 IZl 温度的饱 和液体压力。 2 热力性质参数方程 制冷工质的热力性质计算式由状态方程、饱和气体压力方程、饱和液体密度方 程、理想气体比热容方程和比焓方程组成。
13、 21 状态方程 式中:温度函数 (T)=A +C e ;为比容,m3kg;p 为状态点压力,kPa; R =O0815kJ(kgK); A2 = 一 8909485E 一 02,A = 1778071E 一 05, B2 = 4408654E 一 05,B = 一 4016976E 一 08, C2 =一 20“4834E +00,C =一 2977911E 一 04, A3= 一 1016882E 一 03,A5= 一 7481440E 一 08, B3 = 2574527E 一 06,B5 = 1670285E 一 10, C3 = 2142829E 一 02,C5 = 1255922E
14、 一 06, b = 3755677E 一 04,K = 4599967E + 00。 22 饱和蒸气压力方程盯】 lgl0 P :A+导+cl。gl0 +D + 从 (21)式中:P 的单位为 kPa; A = 4069889E +01,D = 7616005E 一 03, B = 一 23625 40E +03,E = 2342564E 一 01, C = 一 1306883E +01,F = 3761111E +02。 焦作大学机电工程学院毕业设计 viii 23 饱和液体密度方程 : + (1 一 )“ + (1 一 ) +D,(1 一 )+E,(1 一 )4 ( 式中: 的单位为 k
15、gm3;Af=5281464E+02; : 7551834E + 02; = 1028676E +03;= 一 9491172E + 02; =5935660E+02。 24 理想气体定压比热容方程阳 = cI + c2 + c3 + c4 + c4 + c5 -1 式中:c。的单位为 kJ(kgK); I=一 05257455 10 , 2 = 03296570 10 一 , 3= 一 2017321 10 一,4 = 00, s = 1582170。 25 汽化潜热 。 采用 Watson 关联式计算,可得到满意的结果。即根据某一温度下的汽化潜热推 算其它任一温度下的汽化潜热值:其汽化潜热
16、 r|为 2158kJkgn 26 焓熵的相关计算 利用热力学的余函数理论 计算,可导出其饱和气体比焓、比熵热力性质参数, MH 状态方程代入。 (26)式中:压缩性系数 z=等;h。 ,s。是对基准态比焓和比熵值进行校正的常 数,与基准态取定及制冷工质种类有关。 饱和液体的比焓等于饱和蒸气的比焓减去汽化潜热,饱和液体的比熵等于饱和 蒸气的比熵减去汽化潜热与热力学温度的商,则饱和液体焓 hj= h 一, (27)饱 和液体熵 s= s 一 i- (28) 。 以上各式中: 为泓度,K; 为正常沸点,24705K; 为临界温度, 37425K;rr,死,为对比态温度,Tr= ,T6 = Tb 。
17、 3 数值计算 31 计算方法 输入毛细管长度、直径、粗糙度、冷凝压力、蒸发压力、过冷度,首先假 设出口压力等于蒸发压力,计算壅塞流量,作为流量迭代初值 Gc,计算毛细管 的长度,并将其与给定的长度进行比较。若长度偏大,把 Gc 作为较小值 Gc3, 焦作大学机电工程学院毕业设计 ix 然后在此基础上逐步增大流量,直到由此计算的长度小于给定值,把此时的流 量值作为较大值 Gc4;反之,可求出流量较小值 Gc3,这样求得的流量必位于 Gc3 与 Gc4 之间。再采用对分法逼近,令 Gcm =(Gc3+Gc4)2,如根据对分得到 的流量计算出的长度大于给定长度,则把该值作为新的 Gc3,而保留原来
18、的 Gc4;如根据对分得到的流量计算出的长度小于给定长度,则把该值作为新的 Gc4,而保留原来的 Gc3。重复对分逼近,直到满足对长度迭代精度的要求(通 常可取 1E5)时输出计算流量值 Gem。其中过冷单相区按饱和态近似处理,气 液两相区按压降均分为若干个微元段,利用临界长度判据,考虑壅塞影响,逐 段计算微元长度并迭加,过冷段长度加两相段长度即为毛细管长度。 32 结果分析 按以上方法用 Visual Fortran 50 编制程序,对 HFC 一 134a 绝热毛细管 中的流量特性进行数值计算,其结果与实验数据的比较见表 1 和表 2。流量计 算误差 , ,定义为:(流量计算值一流量实验值
19、)流量实验值如表 1 所示,本 文流量计算精度较高,误差小于 2 ,按文献6计算的出口压力小于给定的 压力,计算的出口壅塞流量高于本文计算的流量,即验出口压力高于临界出口 压力,在出口处流量未达到壅塞流量,因而并未发生临界(壅塞)流动的现象。 如表 2 所示,本文流量计算误差较大,但分布于8范围内,而文献13分布 于5范围内,本文精度变差初步考虑与摩擦压降、工质的热物理性质计算方 法等因素有关。按文献6计算的出口压力和本文计算的出口压力十分接近,误 差分布于5范围内,均高于蒸发压力即发生临界(壅塞)流动现象,制冷工质 在出口处流速达到当地音速,在管外自由膨胀到蒸发压力。计算的出口壅塞流 量与计
20、算的流量值很接近。 4 .计算总结 运用两相流动的均相流假设建立绝热毛细管稳态数学模型,对以 HFC134a 为工质的制冷系统,采用新的基团贡献法计算粘度,考虑壅塞流动 的影响,对绝热毛细管流量进行数值模拟,其计算结果与实验结果总体上吻合 得很好。编制的绝热毛细管流量计算软件,计算精度满足工程要求,对于工程 设计应用具有一定的实用价值。 表 1 HFC-134a T 质下本文流量计算值及出口流量压力计算值与文献12】实验 焦作大学机电工程学院毕业设计 x 值的比较 过冷度 进口 出口 直径 实验质 实验 按文献6 本文计算 本文计算出口 本 文计算 本文流量计算 流量计算 压力 压力 量流量
21、长度 估算出口压力 出口压力 壅r D 塞流量出口 质量流量 时迭代长度 误差 nun PirLMPa 岛 M G(gs) Lexpm Pout MPa Po iddMPa Cch(kgs) Coal(kgs) 1 ,calm ,err 4 0921 O4l2 O77 0949 2926 O1680494 041 l9967 239EO3 956E 一 04 2926027 O0O7l827 4 0921 O4l2 O77 1166 2009 O20f 弭 88 041 l9967 239E 一 03 117E 一 03 20cI81 聊 00O7242 4 1126 0412 O77 109
22、 2926 02015O92 0412o0l2 225EO3 11OE 一 03 2925978 OOl12628 4 1126 0412 077 1336 20O9 02468S42 041200l2 225E 一 03 135E 一 03 2o08987 00l0B39B l2 0921 O4l2 O77 1225 2926 O2O7O84 0412o0l7 258EO3 123E 一 03 2925973 O 649 l2 1126 0412 O77 1378 2926 O24325O6 041 l9955 24OE O3 139E 一 03 292599 O01)6650l l2 09
23、21 0412 O77 15o6 2009 O25454l 0412o0l7 258EO3 15lEO3 2o08996 00D25853 l2 1126 0412 O77 1689 2009 O298O479 041 l9955 241E 一 03 17OE 一 03 2oo O0 睫 ldO65 表 2 HFC 一 134a 工质下本文流量计算值 及出口流量压力计算值与文献13实验值的比较 冷凝 过冷 蒸发 实验质量 冷凝温度 蒸发温度 按文献6 本文计算 本文计算 出 本文计算 本文流量计 温度 度 温度 流量 Gexp tcond 对应的 tevap 对应的 计算出口压力 出口压力 口
24、壅塞流量 质量流量 算时迭代长 流量计算 饱和压力 饱和压力 误差 Gerr too T tevap (kgh) PoutiskPa Pout iddkPa Gch 焦作大学机电工程学院毕业设计 xi (kgP s) Gcal (kss) 度 m condkPa PevapkPa 433 52 299 207 l】l0644 8469496 l3O8372 l376l5 535E 一 04 53lE 一 04 550002 一 O 773l 433 87 29 224 l】l0644 8837823 l42744 1476o9 588E 一 04 589E 一 04 549996 O05266
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